摘要 

晶粒细化是改善镁合金微观组织及综合力学性能的重要手段。外加能量场逐渐被应用于镁合金的晶粒细化过程，展现了细化效果良好、绿色环保、易自动化等优势，因而得到了广泛关注。本文总结了近年来借助超声场、电场、磁场等外加能量场进行镁合金晶粒细化的研究现状，分析了能量场主要工艺参数对镁合金晶粒细化的影响规律，探讨了相关细化机制，并对未来的发展方向进行了展望。 

镁合金因具有低密度、高比强度、良好的减震性能和节能减排效应等优点，在航空航天和汽车等领域展现出广阔的应用潜力。然而，镁合金的绝对强度较低，且由于密排六方结构（HCP）导致塑性较低，成为制约其大规模应用的重大瓶颈。在镁合金铸造过程中，晶粒细化有助于提高组织均匀性、综合力学性能及后续塑性变形能力，因而成为最基础且重要的技术环节。 

目前，镁合金晶粒细化方法大致包括热控制法、化学细化法、外场细化法等。热控制法主要是通过提高冷却速率以及降低过热度等工艺措施实现；化学细化法主要是通过添加细化元素实现成分过冷细化作用，或通过外加或原位自生相实现异质形核细化作用；而外场细化法主要是借助外加能量场（例如超声、脉冲电流、电磁场）的微观效应起到细化作用。关于热控法和化学细化法，有诸多综述文献可以参考；但关于外场细化法，目前尚缺乏较全面系统的总结。众所周知，外加能量场具有绿色环保、易于自动化等技术优势，且在镁合金组织细化领域已展现了良好的细化效果，因此其在镁合金中的研究与应用有望在未来得到持续关注。基于此背景，本文总结了近年来外场细化镁合金晶粒的研究现状，并对其发展前景进行了展望，从而为高性能镁合金的组织细化研究领域提供重要的参考。 

一、超声场细化法 

（一）作用机理 

超声波在金属熔体中所产生的空化效应（图1a）和声流效应（图1b），是其细化合金晶粒的重要理论基础。如图1a所示，超声波在传播过程中存在着正负压强的周期交变。在负周期内，熔体分子之间的距离会超过分子保持稳定的临界距离，从而产生空化气泡；空化气泡在生长过程中会吸收金属熔体的热量，在气泡界面发生局部过冷，促进气泡表面成核。而在正周期内，当空化气泡发生收缩塌陷时，释放的高温与冲击力使得树枝晶破碎，有利于晶核数量的增加。如图1b所示，当超声波在金属熔体中传播时，由于熔体的粘滞力和超声的衰减，使熔体内形成了一定的声压梯度，从而引发声流效应。声流效应将树枝晶破碎所形成的大量晶核分散至熔体的各个部分，从而促进晶粒细化。  

图1 超声场细化晶粒的作用机理示意图 

熔体超声处理（Ultrasonic treatment，UST）实验装置示意图如图2所示，主要由压电换能器、超声波发生器、空气冷却单元、变幅杆、调节手柄、温度采集系统等组成。超声频率与功率由内部模块及软件控制。超声变幅杆一般由钛合金制成，在超声处理前需预热。  

图2 熔体超声处理实验的典型装置示意图 

（二）影响因素 

超声已被应用于Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE-Zr等诸多镁合金的组织细化过程。为了便于理解超声细化镁合金的共性规律，本节将按照超声细化效果的影响因素进行总结，包括超声施加方式、超声输出功率、熔体温度和合金成分等。 

1、超声场施加方式 

超声场的传统施加方式主要是单频超声场（Single-frequency ultrasonic field，SUF），但近年来双频超声场（Dual frequency ultrasonic field，DUF）也逐渐得到应用。二者主要区别是，双频超声场装置拥有两个压电换能器，能够对合金熔体同时施加两个不同频率的超声波。表1总结了DUF的典型应用实例，表明DUF能显著细化镁合金晶粒。 

表1 双频超声场对部分镁合金晶粒细化效果的影响 

进一步的研究表明，在总功率相同的情况下，DUF比SUF表现出更优良的晶粒细化效果。例如，Chen等人对比发现，ZK60（Mg-6Zn-0.5Zr）镁合金在未经超声处理、经1200W单频超声场处理、经600W双频超声场处理之后，晶粒尺寸分别为（183±8）μm、（125±6）μm、（72±6）μm，表明DUF效果最佳。这是因为，根据如图3所示的数值模拟结果可知，DUF不仅可以减弱超声衰减，增大空化面积，而且能产生较大的空化气泡和更多的瞬时气泡数，从而增强非均质成核和枝晶破碎效果。  

图3 不同超声施加方式下空化区域模拟结果 

2、超声功率 

超声功率是影响镁合金晶粒细化效果的重要因素。功率过低，无法起到良好的振荡作用；功率过高，则容易造成熔体飞溅、氧化和缩孔等缺陷。在生产实践中，由于不同镁合金在熔体性质、浇注工艺等方面的差异，其最佳超声功率也存在差异。因此，在超声施加过程中，进行工艺优化工作极其重要。

 一般地，超声功率对于晶粒细化效果的影响规律为非线性，即存在一个功率阈值，表现在两个方面。一方面，当超声功率未超过功率阈值且逐渐增加时，细化效果逐渐增强。例如，Aghayani等人对AZ91合金熔体分别施加了功率为120 W、240 W、360 W的超声，发现360 W时的晶粒细化效果最好。类似的，对Mg-12Zn-2Y和Mg-3.0wt.%Ca合金熔体施加超声场后，晶粒细化结果也显示出大致相同的规律。这主要是因为，增大超声功率能够提高声强与声压，这不仅有利于增大空化泡尺寸及过冷度，也有利于增强冲击力和声流效应，从而促进晶粒细化。 

另一方面，当超过功率阈值之后，由于空化气泡坍塌引起加热效应，导致熔体冷却速度降低，晶粒生长加速，从而削弱超声细化晶粒效果。例如，Wang等人对Mg-5Zn-2Er合金分别施加了功率为300 W、600 W、900 W的超声，发现当功率超过600 W时，晶粒开始粗化。Shao等人对AZ80合金熔体分别施加0~1 400 W的超声，晶粒尺寸变化如图4所示，也证实当功率超过阈值600 W时，晶粒尺寸逐渐增大。  

图4 超声功率对AZ80镁合金晶粒尺寸和声压的影响 

此外，也有研究发现添加少量稀土元素（RE）会影响超声功率阈值的大小。例如，王红玲等人分别对ZK60-1Y、ZK60-0.2Nd合金进行超声处理，发现ZK60-1Y合金在600 W超声处理后，相较于200 W超声处理时的晶粒反而粗化，但ZK60-0.2Nd合金却不存在此种晶粒粗化现象；推测认为，可能是由于含不同稀土元素的镁合金熔体对超声处理热效应的敏感性存在一定的差异。

 3、超声施加温度 

超声施加温度也是影响晶粒细化效果的重要因素之一，它决定了过热度、冷却速度，从而影响空化效应和声流效应，最终影响晶粒细化效果。这里，过热度为当前熔体温度与合金液相线温度的差值。一般地，超声施加温度区间可粗略分为液相区间和凝固区间。 

当在液相区间施加超声时，能够起到充分搅拌熔体、分散细化剂颗粒及改善颗粒表面性质等作用。例如，Zhang等人在650 ℃等温条件下对Mg-3.0%Ca合金熔体施加超声处理，超声持续时间为60 s，发现最终凝固晶粒尺寸由约300 μm显著细化至75 μm，这主要是因为超声增强了熔体中金属夹杂颗粒的润湿性，促进了异质形核细化作用。Nagasivamuni等人在液相线以上分别选取了两组过热温度（100 ℃和40 ℃），对纯Mg和Mg-6Zn合金熔体进行超声处理至完全凝固，并将两种超声处理方式依次命名为UST-S1和UST-S2（图5）。  

图5 不同处理方式的纯Mg（a-c）和Mg-6Zn合金（d-f）偏光显微组织 

其晶粒细化对比结果如图5所示，表明过热温度为40 ℃时的超声细化效果更好。类似的，在过热温度为40 ℃时对Mg-1Zr-0.2Al-0.01Be镁合金施加超声，会得到良好的细化效果。这主要是因为在低过热温度下，超声变幅杆附近熔体存在更高的过冷度，因此在空化区中产生的晶粒更易存活下来，并被声流效应分布到熔体中，从而促进晶粒细化。

 当在凝固区间施加超声时，能够提高异质形核数目以及破碎枝晶，从而增强晶粒细化效果。例如，Liu等人在液相线之下（595~590 ℃）对AZ91D镁合金熔体施加超声处理并降温凝固，发现相较于未进行超声处理的合金，晶粒变得更为细小；而Bhingole和Chaudhari在液相线温度以下（590 ℃等温）对AZ91合金施加4 kW/cm2的高强度超声，获得了近乎均匀的等轴晶粒，平均晶粒尺寸从300 μm（无UST）急剧细化至17 μm。类似的，如表2所示，在低于液相线温度对Mg、AS41和AZ80合金熔体施加超声处理，均能够得到良好的细化效果。然而，李克等人在液相线温度以下对AZ91D和AZ31B合金熔体进行超声处理，却发现相较于未超声处理时，两种合金的平均晶粒尺寸变化都不大（分别约为212 μm和277 μm），这主要是因为在液相线以下，合金熔体粘度和凝固枝晶比例都显著增加，造成声流搅拌作用减小，空化气泡的长大和溃灭变慢，从而大幅度降低晶粒细化效果。  

表2 凝固区间施加超声对部分镁合金晶粒尺寸的影响 

4、合金溶质成分 

溶质元素具有成分过冷作用，其含量对镁合金晶粒细化效果具有重要影响。当施加超声之后，溶质元素含量对晶粒细化效果的影响也同样显著。如图6所示，Qian等人总结了当超声功率密度固定为1700 W·cm-2时，溶质元素含量对镁合金超声晶粒细化起到正相关作用。而Nagasivamuni和Ravi的研究也证实如此，其在Mg-3Al合金之中分别添加0.3%、0.5%和1%Al-Ti中间合金并进行超声处理（功率为5 kW），使得平均晶粒尺寸由（846±247）μm 分别细化至（602±147）、（539±133）和（515±125）μm，表明增大溶质含量有利于提高晶粒细化效果。  

图6 在1700W·cm-2的超声强度下镁合金晶粒数量密度与溶质元素含量的关系 

此外，Eskin的研究表明，溶质含量对镁合金超声细化的影响作用与超声振幅相关。当超声振幅小于6.5 μm时，高Al含量的Mg-Al合金的晶粒细化效果更显著；而当超声振幅大于6.5 μm时，Al含量对晶粒细化的影响并不明显，这可能是因为在大振幅下，超声振动作用更强，使得异质形核数目得以显著增加，此细化贡献远远高于溶质含量本身。 

5、超声与细化剂协同应用 

添加细化剂能够实现镁合金晶粒细化，在此基础上施加超声处理能够进一步增强细化效果。镁合金中的两大类细化剂主要是C质细化剂和Zr细化剂，分别应用于Mg-Al系合金、不含Al的镁合金（尤其是高强度镁合金）。然而，无论是C质细化剂还是Zr细化剂，均存在一定的细化工艺难题。对于C质细化剂，其颗粒难以分散，细化效果不稳定；而对于Zr细化剂，其密度大、团聚严重、尺寸不均匀，会引起沉降、损耗和衰退等问题。因此，必须通过合理的技术措施改善或消除这些工艺难题。表3总结了超声增强镁合金细化剂细化效果的实例，表明超声在破碎颗粒团聚、活化颗粒表面、延缓沉降等方面具有显著优势。例如，对于Mg97Y2Cu1合金（at.%，对应的wt.%成分约为Mg-6.84Y-2.46Cu），相较于单独添加Zr细化剂或单独施加超声处理，Zr和超声复合处理对其晶粒细化效果最佳。  

表3 借助超声处理提升镁合金细化剂的细化效果实例 

综上，镁合金超声处理已展现了良好的细化效果，其主要受到超声施加方式、功率、超声施加温度和溶质含量等因素影响。然而，超声处理尚存在一些难点亟待解决：一方面，由于超声波在金属熔体中衰减较严重，导致细化作用范围局限于超声探头附近及下方特定区域；另一方面，在实际生产中，受制于熔体质量大及铸锭尺寸大等工程因素，开发合理便捷、处理效果稳定且损耗低的超声熔体处理复合设备也是重要的研究难点。